(Макеев А.В.)x - Сибирский федеральный университет

УДК 669:681.51
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ
ЗАДАННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ В АЛЮМИНИЕВОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ
Макеев А.В.,
научный руководитель доц., канд. техн. наук Донцова Т.В.
Сибирский федеральный университет
Институт цветных металлов и материаловедения
Алюминий является важнейшим металлом, объем его производства намного
опережает выпуск всех остальных цветных металлов и уступает только производству
стали. Высокие темпы прироста производства алюминия обусловлены его
уникальными физико-химическими свойствами, благодаря которым он нашел широкое
применение в электротехнике, авиа- и автостроении, транспорте, производстве бытовой
техники, строительстве, упаковке пищевых продуктов и пр. [1].
Производство металлического алюминия основано на электролитическом
разложении глинозема (Al2O3) в расплаве криолита (Na3AlF6). Катодный процесс
характеризуется восстановлением ионов алюминия, а анодный – разрядом ионов
кислорода и окислением углерода анода с образованием анодных газов (CO и CO2).
Основным агрегатом для производства алюминия является электролизер. В
настоящее время существует 3 типа электролизеров: электролизеры с
самообжигающимся анодом (СОА) с верхним и боковым токоподводом – технология
Содерберга и электролизеры с предварительно обожжёнными анодами (ОА).
Последний имеет более экономичную и экологичную технологию производства,
поэтому новые современные заводы строятся именно с данным типом электролизеров.
Для заводов, работающих по технологии Содерберга, перевод на технологию
ОА является затратным и длительным, поэтому возникает необходимость в
модернизации действующей технологии.
В рамках модернизации можно выделить наиболее перспективное направление –
модернизация АСУТП.
Структура АСУТП электролиза алюминия иерархическая, двухуровневая.
Общей задачей АСУТП является повышение технико-экономических показателей за
счет оптимального управления технологическими параметрами и поддержания их на
заданном уровне. Условно задача АСУТП сводится к поддержанию:
‒ теплоэнергетического баланса электролизера путем изменения заданного
напряжения;
‒ криолитового отношения (3NaF/AlF3);
‒ концентрации глинозёма в расплаве в заданных пределах путем оптимального
управления системой автоматической подачи глинозема (АПГ).
В настоящее время управление теплоэнергетическим балансом осуществляется
мастером-технологом и качество управления полностью зависит от его квалификации.
Поэтому существует необходимость вытеснение влияния человеческого фактора на
теплоэнергетический баланс и создание универсального алгоритма управления.
Актуальность темы обусловлена высокой стоимостью электроэнергии, доля
которой в себестоимости продукции достигает примерно 30%, поэтому необходима
разработка энергосберегающих алгоритмов управления и последующее их
совершенствование.
Действующие алгоритмы управления теплоэнергетическим балансом можно
разделить на несколько концепций управления:
‒ возврат к базовому значению параметров;
‒ непрерывное изменение параметров в зависимости от состояния
технологического процесса.
В рамках проделанных работ был произведен анализ действующих алгоритмов
управления и выбран наиболее эффективный – алгоритм, при котором изменение
напряжения с течением времени возвращается к базовому значению. В этом случае
управление осуществляется путем изменения уставки заданного напряжения Uзад в
зависимости от текущего состояния электролизёра.
Теплоэнергетический баланс описывается уравнением:
Qприх = Qрасх
(1)
Необходимо
выделить
5
состояний
теплоэнергетического
баланса
электролизера:
‒ Qприх = Qрасх ‒ нормальное состояние;
‒ Qприх > Qрасх ‒ разогрев;
‒ Qприх < Qрасх ‒ охлаждение;
‒ Qприх >> Qрасх ‒ перегрев;
‒ Qприх << Qрасх ‒ заморозка.
В разрабатываемом алгоритме определение состояния электролизёра
предлагается осуществлять с помощью «матрицы состояний электролизера»,
связывающей 3 параметра (температуру электролита, КО и температуру ликвидуса). На
рисунке 1 представлена схема состояния теплоэнергетического баланса: «зеленая зона»
характеризует нормальное состояние, «желтая зона» ‒ незначительные изменения
баланса, «красная зона» ‒ зона нарушения технологии. Для управления ведётся
разработка базы знаний и определения правил для внесения их в «матрицу состояний
электролизера».
Матрица
будет
создана
согласно
схеме
состояний
теплоэнергетического баланса (рисунок 1). Каждой ячейке будет присвоено значение
параметра и величина вольт добавки с продолжительностью действия.
Qприх >> Qрасх
Qприх > Qрасх
Qприх = Qрасх
Qприх < Qрасх
Qприх << Qрасх
Рисунок 1 – Схема состояний теплоэнергетического баланса
Цель алгоритма заключается в поддержании состояния в «зеленой зоне».
За прототип для создания алгоритма взят способ, основанный на определении
состояния электролизера по 9-ти размерной матрице [2].
Критерием правильности корректировки заданного напряжения служит
стабильность энергетического баланса электролизера, которая характеризуется:
‒ отсутствием трендов в изменении всех параметров, косвенно и прямо
указывающих на тепловое равновесие ванны:
• уровень металла;
• уровень электролита;
• высота и длина настыли;
• шум электролизера;
• криолитовое отношение;
• температура электролита;
• количество доз глинозема в автоматическом режиме.
Все перечисленные параметры должны находиться в рамках предусмотренных
нормативно-технических документов (НТД).
‒ стабильно высоким выходом по току и низким расходом электроэнергии;
‒ отсутствием систематических нарушений на подошве анода (конуса,
козырьки, неровности и т.д.) [3].
Для снижения расхода энергии необходимо, чтобы количество регулировок
было минимальным, т.к. частое изменение положения анодного массива разрушают
горнисаж, что ведет к дополнительным потерям тепла.
Правильно подобранное заданное напряжение должно соответствовать сумме
реальных значении перепадов напряжения в узлах ванны [3].
В дальнейшем планируется программная реализация разработанного алгоритма.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Борисоглебский, Г.В. Металлургия алюминия : учебник / Борисоглебский
Г.В., Гаевский Н.М. – Новосибирск, 1988. – 438 с.
2. Iffert, M., Ricck, Т., White, P., Rodrigo, R., Kelchtermans, R. Increased current
efficiency and reduced energy consumption at the TRIMET Essen smelter using 9 Box Matrix
Control // Light Metals, – 2003.
3. Тищенко, С.Н. «Управление тепловым и энергетическим балансом
электролизера» : презентация / С.Н. Тищенко. – Красноярск : ОАО «РУСАЛ
Красноярск», 2013. – 31 слайд.